汽車布置CAD設(shè)計(jì)中數(shù)字化三維人體模型的應(yīng)用

汽車布置CAD設(shè)計(jì)中數(shù)字化三維人體模型的應(yīng)用作者：丁祎胡平郭竹亭歡迎訪問(wèn)e展廳展廳

8汽車與公路設(shè)備展廳

乘用車/客車,電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車,卡車/貨車,專用車,交通安全設(shè)備,...摘要：汽車內(nèi)部布置設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)中以人為中心的復(fù)雜且重要的設(shè)計(jì)過(guò)程．本文論述了數(shù)字化三維人體模型技術(shù)，及其在虛擬的汽車內(nèi)部人機(jī)工程學(xué)布置設(shè)計(jì)中所發(fā)揮的重要作用．列出了與汽車內(nèi)部布置的相關(guān)的SAE標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化三維人體模型人機(jī)工程學(xué)分析汽車內(nèi)部布置虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

1前言

汽車是非常復(fù)雜的產(chǎn)品并需滿足各方面的性能要求，其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程也由許多不同的工作階段組成，而各工作階段又需要使用多種不同的設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)。只有采用新技術(shù)將整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程及其不同的工作方式進(jìn)行全面的集成才能達(dá)到加速和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

數(shù)字化虛擬技術(shù)就是通過(guò)集成各種計(jì)算機(jī)技術(shù)，并充分發(fā)揮其應(yīng)用潛能，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能夠可靠地在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，以數(shù)字化模型方式完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。在汽車開(kāi)發(fā)中，虛擬技術(shù)有助于決策層及早對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行決策和進(jìn)行跟蹤管理；有助于加強(qiáng)異地的合作，共同解決技術(shù)難題；有助于在制造樣車前進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和校核，從而及早發(fā)現(xiàn)和避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；有助于在產(chǎn)品投產(chǎn)前及早獲取產(chǎn)品信息以進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查。貫穿于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程的數(shù)字化虛擬技術(shù)可使產(chǎn)品特性得到全面系統(tǒng)的優(yōu)化，使開(kāi)發(fā)周期大大縮短，開(kāi)發(fā)費(fèi)用大大減少，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終提高企業(yè)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2汽車內(nèi)部布置設(shè)計(jì)

汽車內(nèi)部布置是一個(gè)從構(gòu)思、設(shè)計(jì)到驗(yàn)證的復(fù)雜的系統(tǒng)工程．布置時(shí)要考慮眾多的約束關(guān)系和人機(jī)工程的要求。汽車內(nèi)部布置是“以人為中心”的設(shè)計(jì)，即以人為中心，在滿足一定的約束條件下，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)達(dá)到人－車－環(huán)境和諧的設(shè)計(jì)理念。汽車內(nèi)部布置設(shè)計(jì)是同時(shí)進(jìn)行多方面布置的設(shè)計(jì)過(guò)程，也是不斷反復(fù)遞進(jìn)尋求最優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)過(guò)程。

汽車內(nèi)部布置主要任務(wù)是：①車型主要布置尺寸確定：乘員布置；整車主要尺寸確定；踏板，換檔桿及手剎位置布置；轉(zhuǎn)向盤及轉(zhuǎn)向管柱布置；行李箱布置；側(cè)車窗玻璃；頂蓋位置；座椅及儀表板布置等。②人機(jī)工程學(xué)研究：確保駕駛員及乘員的居住舒適性，安全性，以及駕駛員的操縱方便性和具有良好的視野等。③法規(guī)符合性校核：風(fēng)窗面積及雨刷布置；手伸及界面；儀表板可視范圍；內(nèi)外后視鏡視野；安全帶固定點(diǎn)等。在滿足這些要求的同時(shí)，還要盡量減小整車質(zhì)量，增大車室內(nèi)空間，提高整車的經(jīng)濟(jì)性能。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，工程師使用二維人體模板在二維主圖版上進(jìn)行汽車內(nèi)部布置設(shè)計(jì)，無(wú)法事先對(duì)踏板、換檔桿、轉(zhuǎn)向盤的操縱性和坐姿及視野性等性能進(jìn)行空間位置的評(píng)估和驗(yàn)證，只有在制作了物理樣車后由一定比例的人進(jìn)行實(shí)際的駕駛操作才可完成驗(yàn)證．

如今，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在汽車開(kāi)發(fā)中已廣泛采用CAD方法進(jìn)行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，以三維數(shù)據(jù)為主線，使用虛擬樣車來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程。因而，數(shù)字化三維人體模型相應(yīng)地在汽車內(nèi)部布置的人體工程學(xué)模擬和分析中發(fā)揮其潛能和優(yōu)勢(shì)。

3數(shù)字化三維人體模型

在產(chǎn)品周期的各個(gè)階段，人都是最重要的因素。數(shù)字化三維人體模型可有效地應(yīng)用在汽車虛擬設(shè)計(jì)及制造的整個(gè)生命周期，從初始的概念方案設(shè)計(jì)至最后的產(chǎn)品驗(yàn)證。

數(shù)字化人體模型技術(shù)可輔助設(shè)計(jì)者確定人在相應(yīng)的工作環(huán)境下的性能，確定人體尺寸／形態(tài)／功能及其定位，滿足舒適性和安全性標(biāo)準(zhǔn)的要求。如圖1所示，在虛擬的CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中，可調(diào)入此虛擬的人體模型，完成操作任務(wù)和分析工作。通過(guò)三維人體模型可運(yùn)用數(shù)字人體和電子樣車進(jìn)行與人相關(guān)要素的模擬分析校核，如人的可操作性，舒適性，可視性等重要設(shè)計(jì)要素。在汽車內(nèi)部布置過(guò)程中應(yīng)用數(shù)字化三維人體模型可提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量；改善安全性及人機(jī)工程學(xué)性能；減少物理樣車的制造及驗(yàn)證工作和周期。

圖1數(shù)字化三維人體模型應(yīng)用在CAD設(shè)計(jì)中波音公司、通用公司、戴姆勒－克萊斯勒公司等這些大的飛機(jī)和汽車公司已將數(shù)字化三維人體模型越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期的各個(gè)方面和各個(gè)階段．CATIA，EDS等大的軟件公司，也相繼推出數(shù)字化三維人體模塊供用戶使用并不斷補(bǔ)充及完善。

現(xiàn)以CATIA的人體模型模塊（Manikin）為例簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)字化三維人體模型的主要功能。該三維人體模型包括4個(gè)子模塊：構(gòu)造人體（HumanBuilder）模塊，生成可與產(chǎn)品相配合的人體模型；編輯人體尺寸(HumanMeasurementEdit)模塊，可對(duì)人體模型的各部分的尺寸進(jìn)行有比例地調(diào)整；人體動(dòng)作分析（HumanActivityAnalysis）模塊，對(duì)人肢體進(jìn)行由靜態(tài)姿勢(shì)到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)動(dòng)作的評(píng)價(jià)；人體姿態(tài)分析(HumanPostureAnalysis)模塊，進(jìn)行人體各種姿態(tài)的分析。此人體模型包括有104組人體測(cè)量數(shù)據(jù)；100個(gè)無(wú)約束的連接；148個(gè)自由度；各種姿勢(shì)輪廓；包含所有關(guān)節(jié)的手模型、脊椎模型、肩模型、臀部模型等模型；可表現(xiàn)關(guān)節(jié)活動(dòng)的制約及動(dòng)作運(yùn)動(dòng)的上下極限并可進(jìn)行調(diào)節(jié)。此模塊具有如下幾方面用途：測(cè)量人體尺寸；視野分析；坐姿分析；運(yùn)動(dòng)舒適角度分析；伸及范圍分析；舉升、放下和搬運(yùn)分析；設(shè)計(jì)干涉檢查；運(yùn)動(dòng)模擬等。

4按SAE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行汽車內(nèi)部布置時(shí)涉及到的人體工程學(xué)內(nèi)容

在進(jìn)行汽車內(nèi)部布置時(shí)，SAE中有如下用于駕駛員和乘員的人體工程學(xué)研究和設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5應(yīng)用數(shù)字化三維人體模型進(jìn)行汽車內(nèi)部布置及設(shè)計(jì)校核

數(shù)字化三維人體模型在汽車內(nèi)部布置設(shè)計(jì)及校核中承擔(dān)著人機(jī)工程學(xué)的布置設(shè)計(jì)及校核驗(yàn)證的重要角色。圖2所示為數(shù)字化三維人體模型在一汽車內(nèi)部布置中的應(yīng)用實(shí)例。它協(xié)助汽車設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行一系列乘員內(nèi)部居住性的布置優(yōu)化工作，主要包括：協(xié)助確定汽車主要控制尺寸；確定不同人體尺寸的駕駛員及乘員的乘坐位置和駕駛姿態(tài)；對(duì)人體乘坐姿態(tài)及其舒適性進(jìn)行分析和評(píng)估；確定踏板、轉(zhuǎn)向盤、操縱桿、儀表及控制按紐等零件的布置位置，并進(jìn)行操作合理性評(píng)價(jià)；模擬乘員上下車姿態(tài)以評(píng)估上下車方便性；駕駛員及乘員的座椅位置確定及安全帶的固定位置的確定；模擬座椅的滑動(dòng)、及桿件操縱的運(yùn)動(dòng)過(guò)程并進(jìn)行評(píng)價(jià)；校核駕駛員駕駛過(guò)程中的直接視野和通過(guò)內(nèi)外后視鏡的間接視野的法規(guī)符合性；協(xié)助進(jìn)行儀表板布置和儀表板盲區(qū)的校核；確定合理的車內(nèi)寬度和頭頂空間；分析人體重量在座椅上的力的分布；對(duì)手及腳對(duì)操縱部件操作時(shí)所施加的力進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)檢查設(shè)計(jì)間隙及干涉分析，最終記錄數(shù)據(jù)并輸出優(yōu)化的布置結(jié)果。

圖2數(shù)字化三維人體模型在汽車內(nèi)部布置中的應(yīng)用6結(jié)論與展望

數(shù)字化三維人體模型為汽車內(nèi)部布置的虛擬設(shè)計(jì)提供了一個(gè)